Kehidupan foton • Igor Ivanov • Masalah popular saintifik pada "Unsur" • Fizik

Hayat foton

Rajah. 1. Bolehkah kerosakan foton? Secara teorinya, ya, jika ia tidak bersifar, walaupun kecil, jisim, dan terdapat zarah yang lebih ringan daripada itu.

Salah satu tugas utama fizik eksperimen adalah untuk menguji andaian teori tentang bagaimana dunia berfungsi dan berfungsi. Dan ujian ini bukan hanya mengenai teori hipotesis dan andaian kontroversi, tetapi juga kenyataan "konkrit bertetulang" yang paling seolah-olah kelihatan. Biarkan mereka kelihatan sama sekali tidak dapat dielakkan kepada ahli teori; Tugas pengeksperimen adalah untuk memastikan bahawa pernyataan ini tidak bertentangan dengan pengalaman, dengan menggunakan seluruh toolkit sains moden.

Ambil, contohnya, foton – quanta medan elektromagnetik. Dalam fizik moden, dipercayai bahawa foton tidak beramai-ramai dan mereka tidak mempunyai caj elektrik. Bagi majoriti ahli teori, ia tidak boleh dinyatakan sebaliknya, jelas sekali di mana elektromagnetisme fizik moden diambil, dan di sana sifat-sifat foton secara automatik diperoleh dengan tepat seperti itu. Di samping itu, walaupun sisihan kecil jisim atau caj foton dari sifar akan membawa kepada kesan yang agak luar biasa, yang tidak kita perhatikan dalam eksperimen.Oleh itu, jika foton mempunyai jisim atau caj bukan nol, maka ia mestilah tidak penting. Tetapi apakah had atas kuantiti ini? Soalan ini mesti dijawab oleh fizik eksperimen (bersama dengan pemerhatian astrofizik, yang memainkan peranan utama di sini). Mengecewakan butir-butir tersebut, kami hanya menunjukkan bahawa keadaan semasa analisis ini dicerminkan pada halaman Kumpulan Data Partikel dengan sifat foton.

Menghairankan, halaman ini tidak mengandungi satu lagi nilai penting – seumur hidup foton. Lagipun, jika foton dibenarkan untuk mempunyai jisim bukan-nol, walaupun ia boleh diabaikan, maka ia boleh mereput ke dalam zarah yang lebih ringan, katakan beberapa neutrinos, jika neutrinos yang paling ringan tidak beramai-ramai. Maksudnya, foton akan menjadi zarah yang tidak stabil, dan setiap zarah yang tidak stabil dicirikan oleh jangka hayatnya yang rata-rata.

Untuk mengelakkan salah faham, kami segera menekankan dua perkara. Pertama, ia adalah mengenai masa hidup sebelum kerosakan spontan foton percuma dalam vakum. Di bawah keadaan normal, foton, tentu saja, boleh hidup untuk masa yang sangat singkat – dari saat pelepasan hingga saat penyerapan. Tetapi ini tidak terpakai kepada sifat-sifat foton itu sendiri, ia hanya keadaan luar yang terhad,yang meletakkan foton itu. Kami berminat dengan hayat foton sebagai "peribadi" sebagai zarah yang tidak diserap.

Kedua, kita akan bersetuju dengan terminologi. Ciri-ciri berangka "seumur hidup" menyatakan tempoh zarah dalam sistem yang lain. Dalam kerangka rujukan yang lain, di mana zarah bergerak pada kelajuan relativistik, masa untuk kerosakan meningkat disebabkan kesan peleburan masa – salah satu kesan asas teori relativiti. Marilah kita katakan, apabila dikatakan bahawa muon mempunyai masa hidup 2 mikrosecond, ia adalah muon berehat yang dimaksudkan; muons berkuasa tinggi hidup lebih lama, dan itulah sebabnya muons yang membentuk suatu suasana di atap mencapai permukaan bumi.

Jadi, anggap bahawa foton tidak beramai-ramai, tetapi mempunyai jisim yang sama dengan sempadan atas yang dibenarkan hari ini mengikut Kumpulan Data Partikel. Sekarang, jika kita melihat data astrofizikal yang kini diketahui, kita boleh menemui "cahaya yang paling kuno" – iaitu, foton yang terbang kepada kita yang paling lama dan tidak pernah hancur. Cuba cari data ini sendiri.

Tugas

Berdasarkan petunjuk di atas, kadarapa yang boleh menjadi seumur hidup foton seperti jisim.


Petua 1

Cahaya yang paling kuno adalah sinaran elektromagnetik yang dipancarkan sebelum semua jenis sinaran lain yang dapat kita amati. Lebih kurang diketahui berapa lama foton terbang cahaya ini, tenaga mereka terkenal, dan ini cukup untuk mencari hayat yang diingini.


Petua 2

Cahaya tertua adalah radiasi latar belakang gelombang mikro. Sepanjang dekad yang lalu, beberapa satelit khas – RELICT-1, COBE, WMAP, Planck – telah menjalankan pengukuran menyeluruh radiasi ini dan membuat peta terperinci. Radiasi ini terletak pada julat panjang gelombang tertentu, yang bermaksud bahawa fotonya mempunyai tenaga dalam julat tertentu.

Selepas itu, ia masih dapat difahami berapa kali tenaga ini lebih daripada anggaran massa foton dan bagaimana masa pelarasan relativistik bergantung kepada tenaga zarah.


Penyelesaian

Ciri-ciri CMB mudah dijumpai dalam rangkaian (lihat, contohnya Wikipedia, artikel mengenai Astronet, nota mengenai WMAP, astropart hari tentang keputusan Planck, maklumat dari poster tentang radiasi EM). Radiasi relik adalah "gambaran alam semesta", ketika hanya 380 ribu.bertahun-tahun selepas Big Bang, yang jauh lebih kecil daripada zaman Universe (13.8 bilion tahun). Oleh itu, "umur" cahaya ini boleh diambil sama dengan zaman Alam Semesta, iaitu, kira-kira 1010 tahun (mengikut anggaran magnitud, koefisien urutan nombor 2 boleh diabaikan).

Untuk ini 1010 tahun cahaya bukan sahaja tidak sepenuhnya berpecah tetapi tidak pun mula hancur. Malah, satelit WMAP dan Planck tidak hanya melihat radiasi latar belakang gelombang mikro, mereka mengukurnya dengan ketepatan 10-4dan dengan ketepatan sedemikian rupa sehingga spektrum yang rumitnya dalam persetujuan lengkap dengan model kosmologi moden. Oleh itu, kita boleh dengan selamat mengandaikan bahawa foton gelombang mikro relik seumur hidup adalah sekurang-kurangnya 4 pesanan magnitud yang melebihi nilai ini, iaitu, tidak kurang dari 1014 tahun

Suhu semasanya adalah kira-kira 2.7 Kelvin, yang sepadan dengan tenaga satu foton kira-kira 0.23 meV (millielectronvolt). Sudah tentu, sebelum suhu ini lebih tinggi – apabila Semesta berkembang, radiasi ini menjadi sejuk. Untuk anggaran yang kasar, kita boleh mengandaikan bahawa suhu purata untuk sepanjang masa adalah kira-kira 1 meV. Jika jisim hipotetikal (atau sebaliknya, tenaga rehat) mc2a) foton diambil sama dengan 10-18 eV, maka parameter relativistik γ = E / mc2 ≈ 1015.

Sejak zaman zarah relativistik yang tidak stabil adalah t = γt0, di mana t0 dan adalah hayat yang sesuai dengan zarah kita, kita sampai pada hasilnya: foton dengan jisim semacam itu mesti mempunyai seumur hidup t0 lebih daripada sebulan.


Selepas perkataan

Tugas yang dicadangkan di sini nampaknya dianalisis secara terperinci dalam satu artikel yang diterbitkan dalam jurnal Surat Pemeriksaan Fizikal hanya beberapa hari yang lalu (Bagaimana Stabil adalah Photon? // Phys.Rev.Lett. 111, 021801 (2013); Teks penuh tersedia dalam arsip arkX (arXiv: 1304.2821). Pengiraan yang lebih tepat menunjukkan bahawa bukannya 1 bulan, had itu boleh ditingkatkan hingga 3 tahun, dan juga membawa tambahan kepada batas bebas pada jisim foton. Dalam ara. 2 menunjukkan hasil akhir artikel ini – kawasan yang dikecualikan dan dibenarkan nilai jisim dan seumur hidup pada skala logaritma.

Rajah. 2 Bidang nilai-nilai jisim dan gabungan jisim yang dikecualikan dan diselesaikan dibahagikan dengan seumur hidup, pada skala logaritma. Magnitud t0 di sini adalah zaman alam semesta. Imej dari artikel arXiv: 1304.2821

Mungkin, jawapan yang diterima mungkin mengejutkan pada mulanya: bagaimana, kerana kita tahu pasti bahawa radiasi EM hidup lebih lama! Tetapi jangan lupa bahawa semua jenis radiasi yang kami dapati sejauh ini, walaupun gelombang radio frekuensi rendah,mempunyai tenaga foton beberapa pesanan magnitud yang lebih besar daripada jisim hipotesisnya. Agar foton tersebut menjadi tidak relativistik, adalah perlu untuk mengurangkan tenaga ini kepada 10-18 eV, yang sepadan dengan gelombang EM dengan tempoh seperempat jam dan panjang gelombang satu bilion juta kilometer. Sekarang, jika kita berjaya mendaftarkan gelombang EM jenis ini, dan dijamin datang kepada kita bukan dari sekitar sistem suria atau dari bintang-bintang yang terdekat, tetapi dari ruang yang mendalam, maka perkiraan ini dapat ditingkatkan dengan ketara.

Satu lagi perkara penting: adalah perlu diingati bahawa anggaran ini berkaitan dengan jisim terpilih 10-18 eV. Jika anda mengambil jisim yang lebih kecil, maka γfaktor akan menjadi lebih besar, yang bermaksud bahawa batas bawah untuk jangka hayat foton akan berkurangan. Sebagai contoh, dengan berat 10-26 EV hayat sendiri foton secara amnya boleh menjadi 1 saat, dan ini tidak akan bertentangan dengan apa-apa data eksperimen! Benar, dalam kes ini, kesukaran teoritis semata-mata muncul: "lebar" foton sebagai resonans menjadi lebih besar daripada jisimnya, oleh itu semua foton, malah dipancarkan di pinggir Semesta, perlu dipertimbangkan sebagai maya, bukan zarah sebenar. Tetapi penguji biasanya tidak mengganggu dengan butiran tersebut.

Malah, dalam keputusan kami, kami menutup mata kami kepada sejumlah besar kesan halus yang dibincangkan dalam artikel di dalam Fiz. Wahyu Lett. Sebagai contoh, kehadiran jisim dalam foton boleh membawa kepada undang-undang pendinginan gas foton yang berlainan di Universe yang berkembang. Benar, sekatan yang terhasil terhadap massa (yang dapat dilihat dalam Rajah 2) ternyata jauh lebih lemah daripada yang sudah ada. Kesan lain ialah apabila lalat cahaya tidak dalam vakum, tetapi dalam gas atau plasma, ia tidak akan menjadi foton bebas dan memperoleh jisim berkesan tertentu. Plasma kosmik, tentu saja, sangat jarang berlaku, jadi jisimnya akan menjadi kecil, tetapi mungkin ia mungkin menjadi lebih daripada nilai yang kita gunakan. Satu analisis yang tepat belum dijalankan, dan jika ini membuktikannya, maka penilaian itu perlu disemak.


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: